Полый катод

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы. Технический результат - повышение надежности работы и расширение области применения. В полом катоде, содержащем полую капсулу 1 с торцевыми стенками 2, 3, внутри которой размещен эмиттер 4, входной канал рабочего тела 5, выходное отверстие 6 и пусковой электрод 7, пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что по меньшей мере зона от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована. Внешние поверхности пускового электрода могут быть дополнительно покрыты материалом 8 со степенью черноты по меньшей мере 0,75. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике, в частности, к полым катодам (иначе катодам-компенсаторам), работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано как в составе электрореактивных двигателей для нейтрализации (или компенсации объемного заряда ионов) ускоренного ионного потока плазмы, так и в составе технологических источников плазмы, используемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в условиях вакуума, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы [Патент РФ №2219683, кл. 7 H05H 1/24, 1/54, F03H 1/00].

Космические аппараты (КА) эксплуатируются в условиях космического пространства, которые постоянно меняются в результате комплексного воздействия самых различных факторов. В таких условиях важно, чтобы все компоненты электрореактивных двигателей (ЭРД), включая и полый катод, надежно функционировали в течение всего ресурса своей работы [Фаворский О.Н., Каданер Я.С. "Вопросы теплообмена в космосе". Издательство "Высшая школа", М., 1967 г.]. Надежность же работы самого полого катода в течение ресурса, кроме прочего, зависит от организации и обеспечения условий процесса эмиссии электронов [Высокоэффективный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана. B.C. Кресанов, Н.П. Малахов, В.В. Морозов и др. М.: Энергоатомиздат, 1987 г., стр. 130-131].

В технике в основном применяются катоды двух разновидностей. В катодах накального типа разогрев эмиттера до рабочей температуры эмиссии осуществляется при помощи специального нагревателя [Н.В. Белан, В.П. Ким, А.И. Оранский, В.Б. Тихонов. Стационарные плазменные двигатели // Харьков: Харьк. авиац. ин-т, 1989, стр. 140]. При отсутствии специального нагревателя для нагрева эмиттера катоды принято называть безнакальными [Патент РФ №2031472, кл. 6 H01J 37/077, F03H 1/00, Н05Н 1/54, J.A. Burkhart, G.R. Seikel, J. Spacecraft and Rockets, v. 9, №7, 1972], в них разогрев эмиттера до рабочей температуры происходит за счет начальной тепловой энергии, выделяющейся в момент запуска при подаче высоковольтного пускового импульса, например 800-1000 В и выше через пусковой электрод, и последующим переходом функционирования его в авторежиме термоэмиссии электронов. В обеих схемах электрической цепью «катод» является непосредственно эмиттер совместно с поддерживающими его и сопрягаемыми с ним деталями.

Известен полый катод, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками и проходными отверстиями рабочего тела входа и выхода, внутри которой размещен эмиттер и пусковой электрод [Патент РФ №2012946, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].

Недостатком такого известного полого катода является узкая область его применения из-за ограничений по его использованию в условиях действия магнитных полей. Такие ограничения обусловлены тем, что большая магнитная индукция в рабочей зоне полого катода приводит к существенному росту напряжения в цепи «катод-земля» ("cathode ground voltage"), которое снижает эффективность работы ЭРД на 2-3% [Jason D. Sommerville_ and Lyon В. King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage". IEPC-2007-78. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007]. Практически данные ограничения препятствуют более компактному расположению полого катода вблизи магнитной системы ЭРД. В противном же случае работа полого катода, располагаемого в зоне повышенного магнитного поля, будет менее надежна, и будет происходить с пониженной эффективностью.

Известен полый катод, принятый за прототип, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, который внешней цилиндрической поверхностью сопряжен с внутренней поверхностью полой капсулы, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод [Патент РФ №2287203, кл. 7 H01J 37/077, F03H 1/00].

И такому известному полому катоду присущи аналогичные недостатки. Снижение эффективности работы полых катодов в магнитном поле, генерируемым магнитной системой ЭРД, обусловлено тем, что магнитное поле оказывает влияние на имитируемые электроны и кардинальным образом изменяет их траекторию передвижения. Такое влияние магнитного поля на электроны проявляется в виде так называемого эффекта «замагниченности», при котором движение электронов происходит преимущественно вдоль силовых линий магнитного поля, ориентация которых в окружающем пространстве даже очень ограниченного объема переменна и не совпадает с выходом полого катода, что, в свою очередь, и предопределяет рассеивание части электронов и, как следствие этого, снижению плотности электронных образований и необходимости избыточной эмиссии для компенсации потерь и поддержания стабильности разрядной цепи. Так, если траектория движения электронов в условиях действия только электрического поля близка к прямолинейной, то в условиях действия одновременно скрещенных электрическом и магнитном полях траектория изменяется и становится близкой к винтообразной вдоль силовых линий магнитного поля. Кроме того, поперечное рассеивание заряженных частиц относительно электрического поля уже в самом начале появления электронов резко повышает риски возникновения процессов разрушающей эрозии изнутри конструкции самого полого катода, что ограничивает его ресурс.

При создании изобретения решались задачи по повышению надежности работы и расширению области применения полого катода.

Указанный технический результат достигается тем, что в полом катоде, содержащем полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод, охватывающий полую капсулу, согласно изобретению, пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что, по меньшей мере зона, от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована. Внешние поверхности пускового электрода могут быть дополнительно покрыты материалом со степенью черноты по меньшей мере 0,75.

Изготовление пускового электрода полого катода из магнитопроводящего материала позволяет решить задачи по повышению надежности и улучшению стабильности его работы даже в условиях действующего магнитного поля путем магнитного экранирования рабочей зоны эмиссии электронов и их выхода наружу за счет максимального снижения или полного исключения распространения и действия магнитного поля в указанной зоне. Магнитное изолирование рабочей зоны позволяет организовать процесс передвижения электронов в электрическом поле в виде классического токопереноса, происходящим только под действием электрической разности потенциалов. Исключая дополнительное воздействие магнитного поля на электроны в рабочей зоне полого катода, рассеивание заряженных частиц уменьшится, а потери снизятся. Таким образом, данное техническое решение снимает ограничения по месторасположению полого катода относительно магнитной системы ЭРД [Патент РФ №2426913 RU, кл. 7 F03H 1/00, H05H 1/54], так как условия газового разряда в нем не будут зависить от уровня действующих магнитных полей в окружающем пространстве.

Расположение над внешними поверхностями пускового электрода материала со степенью черноты не менее 0,75 позволит обеспечить более длительную надежную работу даже в условиях ионной бомбардировки струи ЭРД за счет повышения его эрозионной стойкости. В качестве такого материала может быть использована двуокись алюминия, нанесенная в виде покрытия или в виде оригинальных деталей, изготовленных из боркремнистой нитридной керамики.

Таким образом, полый катод, изготовленный согласно изобретению, в котором пусковой электрод, изготовленный из магнитопроводящего материала, дополнительно выполняет функцию магнитного экрана, локально ограничивая тем самым распространение и действие магнитного поля в рабочей зоне эмиссии электронов, позволяет добиться более стабильной и надежной работы и расширить область его применения.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлен продольный разрез вдоль оси полого катода, на котором дополнительно условно показан источник электрического питания и схема его подключения к элементам полого катода.

На фиг. 2 показан вид А - вид по направлению оси полого катода со стороны его рабочей выходной части, на котором условно показаны силовые линии действующего магнитного поля, ориентация которого в окружающем пространстве представлена произвольно.

Полый катод содержит полую капсулу 1 с торцевыми стенками 2 и 3, входной канал 5 для подвода рабочего тела и выходное отверстие 6 для выхода эмитируемых электронов () в окружающее пространство, внутри полой капсулы расположен эмиттер 4, с внешних сторон их располагается пусковой электрод 7. Источник электрического питания подключается к элементам полого катода следующим образом: токоподводящая линия подачи импульса запуска (клемма "+" источника электрического питания) присоединяется к токопроводящим элементам пускового электрода 7, а другой токоподвод (клемма "-" источника электрического питания) осуществляется к токопроводящим элементам полой капсулы с эмиттером. Внешние поверхности пускового электрода 7 могут быть дополнительно покрыты материалом 8, более стойкого к бомбардировке заряженных частиц.

Полый катод работает следующим образом.

Рабочее тело (например, газообразный ксенон), поступающее в полый катод, ионизируется при электрическом разряде в газовой среде при подаче напряжения по токоподводящей линии подачи пускового импульса (клемма "+" источника электрического питания) на пусковой электрод 7, при этом клемма "-" источника электрического питания присоединена к токопроводящим элементам полой капсулы 1 с эмиттером 4, который в разогретом состоянии до рабочих температур порядка 1500°C-1700°C является источником эмиссии электронов. В данных условиях и происходит первичная инициализация плазмы. Подача рабочего газа в полый катод осуществляется по входному каналу 5, соединенному с торцевой стенкой 2 полой капсулы 1. Далее газ попадает во внутреннюю полость полой капсулы 1, в которой располагается эмиттер 4. За счет выделяющейся начальной мощности электрического разряда в момент запуска эмиттер 4 разогревается, преимущественно со стороны выходного отверстия 6 в торцевой стенке 3, до рабочей температуры, обеспечивающей эмиссию электронов, достаточную для поддержания постоянного электрического разряда между рабочей полостью эмиттера 4 и пусковым электродом 7. После запуска полый катод переходит в стационарный режим с функционированием в автоматическом режиме, при котором необходимый уровень температуры эмиттера 4 обеспечивается за счет энергии, поступающей от установившегося плазменного разряда.

При использовании полого катода в составе ЭРД, его функционирование происходит в условиях действия магнитного поля, генерируемого магнитной системой ЭРД. Процесс эмиссии и выход электронов из рабочей зоны будет более стабилен и надежен, когда магнитное поле локально в данной зоне будет предельно снижено или его действие будет полностью исключено, для чего пусковой электрод 7, окружающий полую капсулу 1 с эмиттером 4 снаружи, необходимо изготавливать из магнитопроводящего материала. Долговечность пускового электрода 7, который во время работы в составе ЭРД подвергается бомбардировке ускоренным ионным потоком, может быть увеличена при помощи дополнительного материала, размещаемого с его внешних сторон, более стойкого к бомбардировке заряженных частиц и замедляющих процессы распыления и эрозии основных конструкционных материалов.

Промышленная реализуемость предложенного изобретения подтверждена испытаниями опытных образцов полого катода при наземной отработке, при которой были получены следующие положительные результаты:

- результаты испытаний продемонстрировали повышение надежности функционирования, как при запусках, так и в процессе стационарной работы;

- при работе напряжение в цепи «катод-земля» понижено и стабильно.

1. Полый катод, содержащий полую капсулу с торцевыми стенками, внутри которой размещен эмиттер, входной канал рабочего тела, выходное отверстие и пусковой электрод, охватывающий полую капсулу, отличающийся тем, что пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что по меньшей мере зона от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована.

2. Полый катод по п. 1, отличающийся тем, что внешние поверхности пускового электрода покрыты материалом со степенью черноты по меньшей мере 0,75.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к вакуумным электронным устройствам, в том числе к СВЧ приборам O-типа с микросекундным временем готовности, в которых используются автоэмиссионные источники тока.

Изобретение относится к устройству с плазменным источником электронов. Применение устройства с плазменным источником электронов для формирования трехмерного изделия путем последовательного плавления частей по меньшей мере одного слоя порошковой основы, нанесенной на рабочий стол, части которого соответствуют последовательным сечениям трехмерного изделия, причем устройство с плазменным источником электронов содержит: разрядную камеру с катодом, в которой сгенерирована плазма, выходное отверстие, которое выполнено в разрядной камере с катодом и из которого электроны из плазмы извлечены ускоряющим полем, образованным между разрядной камерой с катодом и анодом, по меньшей мере одно устройство удержания плазмы, и переключающее средство для переключения по меньшей мере одного устройства удержания плазмы между первым значением, обеспечивающим возможность извлечения электронов из плазмы, и вторым значением, запрещающим извлечение электронов из плазмы.

Изобретение обеспечивает генерацию плотной объемной импульсной плазмы и может быть использовано для интенсификации процессов взаимодействия частиц в объеме и одновременного ограничения температуры поверхности изделий, нагреваемых ионным потоком из плазмы.

Изобретение относится к области физики газового разряда и может быть применено при разработке новых устройств сильноточной электроники, позволяющих получать ленточные пучки ускоренных электронов и мощные наносекундные импульсы тока, в плазменной технологии, электронно-лучевой технологии, экспериментальной физике, в физике газового разряда, в физике и технике газовых лазеров, при разработке коммутаторов, импульсных источников тока наносекундной длительности, импульсных источников оптического излучения с высокой яркостью, большой излучающей поверхностью и высоким КПД, плазмохимической технологии, экспериментальной физике.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройстве генерирования электронного луча. Техническим результатом является обеспечение возможности генерирования узкого электронного луча с малым диаметром в фокусе и высокой плотности мощности при одновременно простой конструкции и конфигурации устройства.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройстве генерирования электронного луча. Техническим результатом является обеспечение возможности генерирования узкого электронного луча с малым диаметром в фокусе и высокой плотности мощности при одновременно простой конструкции и конфигурации устройства.

Изобретение относится к области оптической спектроскопии и может быть применено при разработке новых методов нестационарной оптической спектроскопии, позволяющих исследовать свойства неоднородной плазмы в области аномальной дисперсии.

Изобретение относится к способам регистрации аномальной дисперсии неоднородного протяженного плазменного столба и может быть использовано в спектроскопии в неоднородных газовых и плазменных средах, в лазерной спектроскопии и в спектральном анализе газообразных веществ.

Изобретение относится к области электронных технологий, а именно к способам нанесения рисунков в технологии изготовления полупроводниковых устройств. .

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы.

Изобретение относится к цепям питания электроракетного двигателя. Цепь (400, 700, 800) содержит первый источник (402) питания, подающий первый ток на нагрузку (470) в течение первого периода времени («ПВ»); второй источник (416) питания, подающий второй ток на указанную нагрузку в течение второго ПВ; однонаправленный токовый клапан («ОТК»), включенный последовательно с первым источником питания; детектор (420, 702, 802) тока, включенный последовательно с (ОТК) (422); и выключатель (424), включенный параллельно последовательной цепи указанных детектора тока и ОТК, чтобы шунтировать ОТК во второй ПВ.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях, в частности в стационарных плазменных двигателях (СПД), а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей, в частности к системе хранения и подачи рабочего тела. В системе хранения и подачи иода, содержащей сообщенную с электроракетным двигателем трубопроводом, включающим клапан и нагреватели, цилиндрическую емкость с иодом, со стороны, противоположной трубопроводу, снабженную загрузочным фланцем и подпружиненным относительно него поршнем, контактирующим с другой стороны с кристаллическим иодом.

Изобретение относится к исследованию и эксплуатации электроракетных стационарных плазменных двигателей. В способе, включающем запуск двигателя, сравнение измеренных значений разрядного тока с верхним допустимым его значением, и в случае превышения предельного значения выключение двигателя с последующим его запуском.

Группа изобретений относится к управлению вектором тяги плазменных двигателей. Устройство содержит закреплённые на корпусе плазменного двигателя в зоне за срезом его выходного канала две или четыре прямоугольной формы рамочных магнитных катушки, расположенных открытыми частями рамок напротив друг друга.

Изобретение относится к ракетной технике и предназначено для создания импульсных ракетных двигателей систем ориентации космических аппаратов и старта с поверхности и посадки на планеты с малой гравитацией, например Луну.

Система (300, 400) и способы (500) испытания реактивного двигателя (100) малой тяги в вакуумной среде. Способы включают в себя: помещение реактивного двигателя малой тяги в вакуумную камеру, которая, по меньшей мере частично, заземлена; удаление из вакуумной камеры по меньшей мере одного газа для обеспечивания вакуумной среды; запуск реактивного двигателя малой тяги с целью создания пучка электронов; и/или электроизолирование электронов пучка от, по меньшей мере, одной электропроводящей поверхности вакуумной камеры.

Изобретение относится к транспорту, в частности к ионным двигателям. Система управления ионными двигателями содержит два устройства управления питанием, четыре ионных двигателя и два коммутационных узла.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД), в частности к стендам для их испытаний на рабочем теле иоде. Стенд для испытания электроракетного двигателя, работающего на рабочем теле иоде, состоящий из вакуумной камеры, системы вакуумирования, электроракетного двигателя, системы торможения струи плазмы иода, истекающей из двигателя, системы хранения и подачи иода, снабженной нагревателями и соединенной через клапаны с электроракетным двигателем, устройства для конденсации иода, снабженного системой подачи криоагента, дополнительно включает паропровод иода.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к полым катодам, работающим на газообразных рабочих телах, и может быть использовано в электрореактивных двигателях для нейтрализации ионного потока, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме, а также в качестве автономно функционирующего источника плазмы. Технический результат - повышение надежности работы и расширение области применения. В полом катоде, содержащем полую капсулу 1 с торцевыми стенками 2, 3, внутри которой размещен эмиттер 4, входной канал рабочего тела 5, выходное отверстие 6 и пусковой электрод 7, пусковой электрод выполнен из магнитопроводящего материала так, что по меньшей мере зона от эмиттера до пускового электрода по потоку рабочего тела магнитоизолирована. Внешние поверхности пускового электрода могут быть дополнительно покрыты материалом 8 со степенью черноты по меньшей мере 0,75. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх